地方院校生物工程综合大实验教学实践

张湑泽， 王久利， 王克宙， 王雪韧， 沈迎芳

(1.青海民族大学 生态环境与资源学院， 西宁 810007；2.青海省特色经济植物高值化利用重点实验室， 西宁 810007；3.国家民委青藏高原资源化学与生态环境保护重点实验室， 西宁 810007)

增强大学生的责任担当意识和家国情怀，建立实践教学与创新能力培养机制，努力培养学生创新意识，以专业实践强化大学生创新能力和科研素养是目前高等教育研究的重点[1]。生物工程专业是以生物学技术手段解决工程学问题的综合性学科，是把生命科学领域研究成果转化为实际生产力的重要环节，要培养具备生物学专业知识，同时具备良好的工程素质、实践能力及工程应用能力的人才[2]。目前生物工程产业发展迅速，生物工程专业本科生如能掌握扎实的理论技能，具备创新实践能力，将在以后发展中具有优势。然而，目前生物工程专业行业就业率普遍不高，而较高专业素养的生物工程专业人才奇缺[3]。在应用转型背景下，如何培养适应地方经济发展的生物工程专业人才具有重要的意义。

实践教学是培养学生创新意识和实践能力的重要环节之一。对工科专业来说，实践教学是培养学生分析问题解决问题、掌握专业技术的重要手段，也是培养学生实践动手能力的重要环节[4]。但目前生物工程实践教学存在的主要问题是理论和实践教学脱节，陈旧的验证性实验过多，传统的验证性实验对实验内涵和原理理解不够深入，对实验结果分析不透彻，限制了对学生创新思维的培养。此外，传统实践教学内容大多来自教材，与地方经济发展联系不紧密，学生参与度不高。开展综合性实验教学可培养学生解决复杂问题的能力[5]，让每位学生都能参与其中，满足新工科形势下创新型应用型人才培养。因此，提出以生物工程综合大实验为主要实践课程的生物工程专业创新实践课程体系[6]。通过在实践课程中引入新的教学模式改革传统课堂，培养兼具实践能力和创新精神的应用型人才。

鉴于生物工程综合大实验课程的特殊性，我们在前期调研的基础上引入基于项目驱动的教学方式(project-based Learning，PBL)作为生物工程综合大实验的教学模式，学生需综合所学专业知识自主设计实验，将生物工程多种技术串联以进行综合实验，提升学生综合实践能力和创新思维[7-8]。实践表明，基于PBL教学模式的生物工程综合大实验课程明显激发学生学习兴趣，学习主动性明显提升，综合实践能力、合作能力、创新思维以及工程素养都得到很好的锻炼[9]。

1 基于PBL的课程建设思路

1.1 PBL教学理念及课堂教学思维

PBL是由加拿大学者Barrows[10]提出的一种以学生为中心的教学方式，以专业学习中存在的问题为学习起点，通过问题规划学生学习内容，将问题项目化，引导学生围绕问题寻求解决方案。在生物工程综合大实验教学实践过程中，教学团队基于地方经济发展需求提出科学问题，引导学生完善实验设计思路，通过学生项目小组，开展团队协作，建立开放实验体系，构建实验全过程多元化考核体系[11-12]。这种教学模式为学生提供在课程中完成从设计理念到具体产品生产实践的机会(图1)。

1.2 PBL课程设计原则

生物工程综合大实验是为适应现代生物工程技术不断发展而设立的一门综合性实验，面向生物工程专业高年级本科生开设，属于创新实践课程群课程，同时也是发酵工程和生物分离工程理论课的配套实验课。

生物工程综合大实验课程设计充分体现了生物工程专业本身所具有的应用性与综合性两大特点[13]，我们以青藏地方特色产品为主线，设计综合实验，采用多种技术手段完成实验。通过综合性、应用性实验融合学科教学与科研能力培养，体现了基础性实验-设计性试验-探究性试验完美结合，从而达到培养具备科学思维、动手能力强的优秀生物工程人才的目的。

2 教学方法与内容

2.1 实验方案设计

本课程于2019—2020学年第1学期开设，3学分，3课时/周。指导老师在开课前积极查阅文献，结合地方经济发展需要设置选题作为综合实验指南(表1)；开课后，学生每3～4人组成实验小组，根据自己兴趣选择综合实验项目，也可在与指导老师交流的过程中提出自己感兴趣的问题；确定选题后，学生利用1～2周查阅文献，完成实验方案并与指导老师讨论修改；实验方案确定后，下拨实验经费，学生自行管理经费，购置原料及部分试剂耗材。常规试剂及分析检测设备由教学团队提供支持。实验进行期间，生物工程实验室对本科生全天开放，任课教师随时答疑解惑。

图1 生物工程综合大实验PBL教学设计模式图Figure 1 Schematic chart of integrated design of comprehensive experiment of bioengineering

2.2 实验内容与进展

生物工程综合大实验重视实验方案应用性和综合性，尽可能选用地方特色原料进行综合性实验项目设计。通过科学合理设计实验，让学生体会产品开发过程中实验条件易变性和条件控制的重要性。开展综合大实验，最终筛选出对乙醇、SO2和葡萄糖耐受性较强的酵母菌株，分解纤维素能力较强的菌株，开发出“小沙杞”沙棘枸杞保健酒、“肆时三渡”青稞香型白酒、“名儿”系列白兰地(图3)；优化盐析法提取果皮中果胶的工艺，优化柠檬酸发酵发酵条件，筛选玉米乙醇发酵最佳发酵工艺等。

表1 生物工程综合大实验主要实验项目及实验内容

本实验将以往的验证性实验转变为综合性、设计性实验，旨在提高学生分析问题、解决问题的能力和实验数据的处理能力。主要实验项目涉及实验条件的筛选、实验过程的参数监控、产物的初步鉴定以及产品的提取、分离、纯化、检测等，实验时间不分课内课外，要求任课老师和实验室管理人员认真监管，共同完成实验室开放管理工作。教师虽不需要在课堂上亲自动手操作，但却需要花费3～4倍时间完成学生实验方案选题，参与实验全过程指导以及实验室全天开放中的实验室管理工作，对教师责任心是严峻的考验。实验完成后，教师对学生实验过程进行梳理，核查实验数据，与学生讨论形成论文撰写思路及提纲，与学生交流论文撰写进度，保障课程论文完成质量[14]。

2.3 多元化考核评价体系构建

单一的考核评价无法体现对学生综合素质的全方位考核，不利于形成良好实验氛围。生物工程综合大实验改革以往单一的成绩考核模式，构建生物工程综合大实验考核模式。这种考核模式以实验全过程考核，院创新实验大赛评分以及实验课程论文考核构成，具体为平时成绩占25%，实验方案设计占20%，中期考核占10%，项目答辩占20%，期末论文成绩占20%，团队贡献占5%。平时成绩注重课程过程化考核，在教学过程中不定期开展实验过程汇报，重视实验原始记录，将实验报告原始记录作为平时成绩的重要参考依据。实验方案设计考核点为文献调研情况，方案的可行性、完整性和创新性。中期考核是指在第12周考核项目实验进度。项目答辩为参加生物工程创新创业大赛时的评委打分成绩，通过学院专家评价来获得更合理的项目完成分。期末论文考查学生最终实验完成情况、创新性、实验论文格式、小组成员参与度等。团队贡献加分是在生物工程综合大实验进展过程中，项目团队每个人的贡献度评分。

3 教学改革创新

生物工程专业传统实验课以每堂课开展单个实验为主，主要是演示性实验和验证性实验，经基础理论知识的掌握或学习某种仪器的使用方法为目的，无法系统地训练学生创新能力和科学素质。综合性实验侧重于实验内容的综合性，实验方法和手段多样、综合，注重对学生能力培养。基于PBL模式的生物工程综合大实验在完成过程中形成了以下教学改革创新点：(1)由学生成立研究小组，设计实验方案，各研究小组共同协作完成；(2)项目化管理，让本科生有机会全程参与完成科研项目，独立思考设计实验方案，亲自动手完成实验，撰写项目总结，汇报答辩；(3)多元化考核，重视学生实验记录，组织创新实验大赛，全面考核实验情况；(4)开放实验，学生自主安排实验进度和时间，实验室对授课学生全面开放，任课教师全程参与指导。

4 教学改革成效

生物工程综合大实验在教学过程中侧重实验内容的综合性和应用性，多个知识点综合交叉，实验方法多样、综合，注重对学生工程实践创新能力培养。在教学过程中，学生能够积极主动查阅文献，设计实验方案，分工协作完成实验，有效培养了学生的实验操作能力和创新意识，学生在提升实验操作能力的同时，综合素质和创新能力也得到提高，团队意识有明显加强。

图 2 “肆时三渡”青稞香型白酒工艺Figure 2 Production process of highland barley flavor liquor named ‘Sishisandu’

对生物工程综合大实验教学过程中完成的课程论文，根据作品性质鼓励学生积极申报大学生创新创业项目、参加各级各类竞赛、申报专利并在校内外进行成果展示。通过综合训练，提高学生对现代生物工程产品研发水平的认识，培养学生开展课外自主创新实践的能力。在2019年院级创新实验大赛上，本课程项目团队参加比赛，获得一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项。基于生物工程综合大实验教学成果，指导团队参加第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛青海赛区决赛，获银奖、铜奖各1项，部分成果已申请专利。

5 总结与展望

近年来，青海民族大学生物工程专业针对专业实践教学体系进行一系列创新改革[15]，如将成果导向教育应用在生物工程实践教学中，将实践教学体系设置为基础实验课程群-专业实践课程群-综合实践课程群。做到基础实验着重基础操作，专业实验着重专业核心技术运用，综合实践着重能力提升和创新训练。基础-专业-综合循序渐进。注重培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生工程素养，增强学生创新能力。实践证明，生物工程综合大实验多维度教学改革体系的实施，有效地促使学生从“被动学”转变为“主动学”，实现理论教学与实践教学的有机融合。

创新型应用人才培养是新时代高校改革转型的重要问题[16-17]。增强实践和创新创业能力是新工科建设的关键。地方高校在教学过程中应该着力培养学生综合分析问题能力、实验动手能力、数据处理能力及查阅文献资料的能力。通过综合实验，充分调动学生学习主动性、积极性和创造性，让学生把基础知识运用于实验方案设计、实验操作、数据分析及论文撰写，使学生基础知识与应用实践更好地结合，最终达到提出问题、分析问题、解决问题的目的，培养出创新能力强，适应地方经济发展需要的工程技术人才。